一種基于ADS-B的空域態勢監視系統設計方法研究

任萍，盧允娥

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

近年來隨著飛機訓練任務需求的不斷增加和民航業務量的飛速發展，造成飛機跨越民航區域飛行日益頻繁，尤其是出遠?？缭矫窈胶骄€飛行時，地面空管系統的指揮能力薄弱，載機平臺不能接收到地面空管雷達系統的指揮，與民航飛機發生空中危險接近甚至相撞的潛在可能性不斷增加，成為飛行任務的隱患。

現有的飛機安裝的機載防撞系統采用二次雷達技術，通過詢問-應答方式對威脅目標進行監視，需加裝詢問分機和詢問天線，設備內部模塊構成復雜，所需處理單元、射頻單元和天線單元構造復雜，裝機成本高；現有機載防撞系統原有算法在A/C航管應答模式下容易出現目標方位跳變和短時間丟失問題?，F有飛機安裝的空域監視系統僅能作為監視手段進行使用，并不能向飛行員提供垂直機動建議，在中/高空飛行時，不利于飛行員采取避讓措施。

為了解決飛機出遠?？缭矫窈胶骄€時，地面空管系統的指揮能力薄弱容易產生民航飛機危險接近甚至相撞的安全隱患問題，首次將ADS-B監視技術與TCAS防撞算法進行融合，提出了一種基于ADS-B技術的空域態勢監視系統設計方法，該系統取消了詢問-發射工作方式，僅采用被動監視方法，實現達到載機周圍目標態勢檢測、防撞沖突預判和根據威脅等級告警功能，載機電磁環境復雜度降低。且構型簡單，體積重量小，降低研制/采購成本，更符合未來航管功能發展趨勢。

1 空域態勢監視系統構型及功能

本文基于廣播自動相關監視（ADS-B）技術的基礎上，針對成本限制的載機平臺提供了一種顯示集成度高、滿足無線電靜默需求和造價成本低的空域態勢監視系統，實現對監視空域內裝載ADS-B OUT設備入侵飛機的監視，并提醒飛行員進行危險避讓，增強飛機的態勢感知和避讓能力，為缺乏地面空管系統指揮的遠海飛行任務提供安全保障。

1.1 空域態勢監控系統構型

空域態勢監視系統由1個態勢監控處理機和2個全向接收天線組成，其系統構型框圖如圖1所示。

圖1 空域態勢監視系統構型框圖

通過獲取載機的慣導數據（經度、緯度和真航向），與接收到的目標機的慣導數據進行計算，獲取目標機和本機的相對距離和方位等信息。

通過獲取本機的絕對氣壓高度數據，與獲取到目標飛機的絕對氣壓高度進行計算，得出目標飛機相對本機的相對高度信息，由此獲得方位精度也優于容易受多徑效應影響的定向詢問的測角精度，使目標跟蹤更加穩定，能夠避免偶發TCAS目標方位跳變和目標短時間丟失的問題。

通過獲取無線電高度數據，產生在低空飛行時抑制RA告警的判斷條件。

與載機原有顯示控制系統相結合，空域態勢監視系統通過顯示控制分系統實現對監視空域、目標顯示和高度源等參數進行設置，同時將監視空域范圍內目標態勢信息及針對RA告警產生的垂直機動建議信息綜合在顯示控制分系統的顯示器上進行顯示，可結合機上其他設備告警信息，向飛行員呈現綜合的、全面的目標態勢畫面，增加設備故障自檢測功能，降低了機組操作人員的使用難度和操作負擔，顯示/控制集成度更高。

當載機裝有近地告警設備時，向機內通話設備輸出近地告警語音信息相對防撞語音告警信息優先級高，且近地告警設備也會產生垂直機動建議，因此需要進行語音輸出優先級排序?？沼驊B勢監視系統收到近地告警抑制信號時，不向顯示控制系統發送RA告警和垂直機動建議提示，同時不向機內通話設備發送語音告警。直到近地告警設備停止發送抑制信號一段時間后恢復正常。

1.2 空域態勢監控系統功能

該系統采用ADS-B in的監視技術，所得的監視空域范圍內其他飛行器的方位、距離精度均較傳統的TCAS II系統精度更高，距離精度最高可達十幾米。可為飛機提供更大范圍的態勢感知信息，接收靈敏度更高、載機監視容量更多、監視精度更高、具有監視距離更遠。采用載機平臺的無線電高度數據、絕對氣壓高度數據、慣導數據等高精度導航系統的數據作為數據源，空域態勢監視系統接收本機導航系統發送的本機經緯度、速度、北京時間和高度數據。

態勢監控處理機通過上/下全向接收天線監視系統監視范圍內出現的裝有ADS-B OUT設備的飛機發送的ADS-B廣播報文，獲取空域中其他飛行器發送經緯度、速度、北京時間和高度數據，與本機位置信息進行對比處理，其他飛行器發送的位置信息與本機位置信息通過TCAS算法進行沖突解算，建立監視范圍內的目標航跡，形成空中交通的實時態勢信息，包含目標飛機的速度、航向和轉彎率等，從而對目標機的航跡信息進行建立、更新和維護，評估出目標飛行器的威脅級別，根據不同的威脅等級產生相應的語音提示信息和產生相應避讓措施，送給顯示控制系統顯示，供飛行員參考。

在空域監視功能的基礎上，將監視和跟蹤的目標航跡與本機信息綜合，利用跟蹤的目標航跡信息對潛在威脅目標進行評估，建立二級碰撞沖突區域，對碰撞沖突進行預測，進行沖突告警解算，評估出目標機的威脅級別，包含無威脅目標OT、臨近目標PT、交通告警TA、決斷告警RA四種，針對不同告警信息產生相應避讓措施和語音提示信息，并分別送入顯示控制系統和機內通話設備，提供目標航跡顯示和語音告警功能，同時具備故障自檢測功能。

2 空域態勢監控系統實現方法

2.1 顯示控制

空域態勢監視系統通過顯示控制分系統實現對監視空域、目標顯示和高度源等參數進行設置，同時將監視空域范圍內目標態勢信息及針對RA告警產生的垂直機動建議信息綜合在顯示控制分系統顯示器上進行顯示，可結合機上其他設備告警信息，向飛行員呈現綜合的、全面的目標態勢畫面，增加設備故障自檢測功能。

在不發射詢問信號的情況下，仍能夠通過被動接收ADS-B信號實現對本機周圍具有ADS-B OUT功能的目標進行監視，通過目標的方位、距離、高度等態勢信息，建立2級碰撞沖突區域，并根據載機與目標機的本機與目標飛機的速度、航向和轉彎率等運動參數，對碰撞沖突進行預測，根據預測結果如果存在碰撞危險，則給出告警提示。當目標進入TA或RA區域時將威脅目標發送給顯示控制系統同時伴隨有語音告警，當目標進入RA區域時，會向顯示控制系統發送垂直方向的決斷建議。

2.2 語音抑制功能設計

按照RTCA/DO-185B規定，飛機降落時，載機無線電高度小于900ft時，起飛時，無線電高度小于1100ft時，空域態勢監視系統的RA告警功能應被抑制。飛機降落時，載機無線電高度小于400ft時，起飛時無線電高度小于600ft時，告警語音應被抑制。

2.3 同頻段設備兼容工作

空域態勢監視系統取消了詢問發射功能，僅接收譯碼后的來自ADS-B地面站和其他飛行器廣播的ADS-B信號，在載機處于無線電靜默的情況下仍可以對監視空域內目標進行有效監視，飛經ADS-B地面站管制區域時，ADS-B地面民航管制站不對本機平臺位置信息進行監控。與傳統的空中防撞系統（TCAS系統）相比，取消了詢問發射工作方式，空域態勢監視系統不屬于電磁發射設備，不會對同頻段其他設備接收產生影響，更適合飛機的頻譜管理。

當其他同頻段設備發射信號時，空域態勢監視系統通過接收ADS-B報文，能夠對其他同頻段設備發送的非用于態勢判斷的無關信號進行判別，并做丟棄處理，極大程度地解決了同頻段設備工作存在干擾問題。在干擾設備發送大功率壓制性干擾信號時，設置設備最低抗損毀門限，防止自身設備由于接收大功率信號出現模塊燒毀現象。

3 結語

本文所述的空域態勢監視系統在國內外飛機廣泛使用ADS-B技術的基礎上進行改進設計，首次將ADS-B技術與TCAS防撞算法進行融合，具備提供符合TCAS II標準的威脅告警信息和垂直機動建議信息，大幅度降低了設備功耗、設備研制/采購成本和飛行員操作負擔，同時解決了同頻段設備兼容工作問題，能夠滿足復雜電磁環境下空域管理的要求。